4. Поршневые компрессоры

Устройство и работа поршневого компрессора. Конструктивная схема одноступенчатого компрессора и протекающие в нем процессы пока­заны на рис. 2. Цилиндр ком­прессора, закрытый с обеих сторон крышками, имеет две полости. Ци­линдры, в которых рабочими явля­ются обе полости, называются ци­линдрами двойного действия в отличие от цилиндров просто­го действия, имеющих одну ра­бочую полость. В стенках цилиндра в специальных коробках расположе­ны всасывающий и нагнетательный клапаны (рис.2,а), они открыва­ются и закрываются автоматически под действием перепада давлений между рабочей полостью и соответ­ствующей камерой (всасывающей либо нагнетательной).

Цилиндры поршневых компрес­соров чаще всего охлаждаются во­дой, для этого в них предусмотрена специальная водяная рубашка. У большинства компрессоров пор­шень соединяется с шатунно-кривошипным механизмом посредством штока и особого шарнирного устрой­ства крейцкопфа (ползуна), двигающегося в параллельных на­правляющих. В месте прохода што­ка через крышку цилиндра помеща­ется уплотнение, называемое саль­ником. У небольших компрессоров поршень соединен непосредственно с шатуном (бескрейцкопфные компрессоры). Перепад давлений, обеспечивающий открытие клапанов и преодоление их гидравлических сопротивлений, определяет дополни­тельные затраты работы по сравне­нию с идеальным компрессорным циклом (см. на рис.2 заштрихо­ванные площадки на индикаторной диаграмме).

В рабочей полости цилиндра в конце нагнетания всегда остается газ объемом V_м, который называет­ся мертвым объемом. Его величина определяется в основном размерами зазора между поршнем, находя­щимся в крайнем положении, и крышкой цилиндра, необходимого для исключения удара поршня о крышку.

Отношение объема мертвого про­странства V_м к объему, описывае­мому поршнем, V_h, называется от­носительным объемом мертвого про­странства:

(19)

У хорошо сконструированных боль­ших цилиндров а<0,05. Остаток газа в мертвом пространстве расши­ряется по линии 34 (рис.2,6), поэтому всасывание газа начинается не в начале хода поршня, а в конце процесса расширения, т. е. в точке 4. Следовательно, объем V_в фактиче­ски поступившего в цилиндр газа оказывается меньше рабочего объе­ма цилиндра.

Отношение объема всасываемого газа V_в к объему, описываемому

Рис. 2. Одноступенчатый поршневой компрессор.

а — схема; 1 — цилиндр: 2 — поршень; 3 — шток;

4 — крейцкопф; 5 — шатун; 6 — кривошип; 7 и 8 — всасывающий и нагнетательный клапаны; б — ин­дикаторная диаграмма; цифры на диаграмме со­ответствуют точкам процесса.

поршнем, V_h , называется объем­ным коэффициентом:

(20)

Считая процесс расширения (34) политропным, можно записать:

Отношение этих объемов может быть также представлено в следую­щем виде:

(21)

откуда легко определяется величина объемного коэффициента

(22)

Из формулы (22) видно, что увеличение степени повышения дав­ления _к при а==соnst приводит к снижению, т. е. подачи ком­прессора. В пределе при критиче­ском значении _к^пред =(1+1/а) по­дача становится равной нулю.

Для увеличения подачи поршне­вых компрессоров необходимо уве­личивать размеры цилиндров и поршней, в результате чего возра­стает сила инерции возвратно-по­ступательных масс машины. Поэтому поршневые компрессоры проекти­руют с довольно низкими частотами вращения вала. С технико-экономи­ческих позиций подачу поршневого компрессора, равную 3,5 м³/с, сле­дует считать предельной, хотя имеются и более мощные машины.

Рис. 3. Работа поршневого компрессора на сеть при различной частоте вращения вала.

Регулирование подачи и совместная работа. Компрессор обычно подключается к системе трубопроводов, на которых уста­новлены запорные, регулирующие и другие устройства. Совокупность этих устройств и трубопроводов называется сетью. Гид­равлические свойства сети определяются ее характеристикой, т.е. зависимостью между расходом V_с и давлением ,р_с в се­ти. Характеристика большинства газовых сетей имеет вид параболы.

Одной из важных характеристик компрессора является зависимость между его подачей V₀ и рабочим давле­нием р₂, р₂=F(V₀). В расчетном режиме подача поршневого компрессора практиче­ски не зависит от развиваемого давления, и характеристика р₂=F(V₀) для различных значений п₀ близки к вертикальным линиям (рис.3).

Пересечение характеристик компрессо­ра и сети определяет рабочую точку Л, а с ней и рабочие параметры машин — по­дачу и давление. Расход газа в сети по условиям работы потребителей обычно не­постоянен. Во избежание резких колебаний давления газа в сети необходимо измерять подачу компрессоров так, чтобы она всегда соответствовала потреблению. Регулирова­ние подачи компрессоров в настоящее вре­мя осуществляется следующими способами: отключением одной или нескольких машин при их параллельной работе на сеть, изме­нением частоты вращения вала компрессо­ра, изменением объема мертвого простран­ства цилиндра и дросселированием потока на всасывании.

Периодические остановки компрессора (отключение машины от сети) возможны лишь при значительном и, главное, длительном снижении потребления газа. Очень часто отключение машины при­водит к чрезмерному перегреву электропри­вода и выходу его из строя.

Рис.4. Индикаторная диаграмма одно». ступенчатого поршневого компрессора при? регулировании подключением дополнительного мертвого объема (а) и дросселирова­нием на всасывании (б).

Электродвигатели переменного тока как основы ной вид привода поршневых компрессоров чаще всего не приспособлены для регули­рования частоты их вращения.

Дросселирование газа на всасывании осуществляется шибером или задвижкой. В результате падения дав­ления перед компрессором объем всасывае­мого газа уменьшается от V_в до V’ в (рис.4,6), но при этом растут степень повышения давления в цилиндре _к и свя­занная с ней температура. Во избежание воспламенения смазки, применяемой в ци­линдрах, температура газа на нагнетании ;не должна превышать 160—170 °С, что 'в свою очередь ограничивает глубину ре­гулирования до 70% номинальной. Благо­даря конструктивной простоте этот способ регулирования применяется на компрессо­рах со средней подачей.

Рис. 5. Схема трехступенчатого компрес­сора 'с дифференциальным поршнем и раз­деленной первой ступенью.